Pourquoi la récupération fait-elle monter la tension du bus ? ── La résistance de freinage expliquée avec des schémas de circuit interactifs

Partie 3 de la série « Protection et pannes des circuits de commande, avec des schémas de circuit interactifs »

La dernière fois, en comparant quatre façons d’arrêter un moteur, la plus séduisante semblait être la récupération : plutôt que de brûler l’énergie en chaleur, la renvoyer vers l’alimentation sous forme d’électricité. Mais l’article se terminait sur une mise en garde : la plupart des alimentations réelles ne sont pas conçues pour « encaisser » de l’électricité en retour. Alors, où va l’énergie dont personne ne veut ?

La réponse est le sujet du jour : la montée de la tension du bus CC. L’énergie sans destination s’accumule dans les condensateurs du bus, et la tension gonfle, encore et encore. Le « défaut de surtension » d’un variateur ou d’un servoamplificateur, et cette pièce que les catalogues appellent résistance de freinage (de récupération), sont directement liés à ce phénomène. Dans cet article, nous regardons la tension gonfler ── puis une résistance la remettre à sa place ── avec des schémas de circuit interactifs et des courbes en temps réel.

Ce que cet article vous apporte

Les questions fréquentes et les sections qui y répondent.

Question	Section
Où finit l’énergie récupérée ?	§1
Avec une « source idéale » côté réception, que se passe-t-il ?	§2 (figure interactive)
Pourquoi la tension du bus monte-t-elle sur le matériel réel ?	§3 (figure interactive)
Comment fonctionne la résistance de freinage côté bus ?	§4 (figure interactive)
La résistance de freinage de la partie 2 est-elle la même chose ?	§5 (figure interactive)
Comment le matériel réel s’en sort-il ?	§6 / FAQ

1. Le décor du jour ── solliciter le bus par une injection, sans moteur

Dans la fig. 4 de la partie 2, nous avons suivi le courant récupéré jusqu’au moment où il « repart vers l’alimentation ». Aujourd’hui, on tourne la caméra : le protagoniste est le côté récepteur, le bus CC. Le bus CC est l’artère de courant continu que se partagent les circuits internes d’un variateur ou d’un servoamplificateur ; de gros condensateurs (les condensateurs de bus) y sont accrochés pour stabiliser la tension.

C’est pourquoi les figures du jour ne contiennent aucun moteur. Le courant récupéré qu’un moteur en rotation renverrait est simplifié en une injection depuis une « source 48 V + 100 Ω » (le modèle pédagogique le plus simple possible d’un moteur en roue libre agissant en génératrice ; on néglige, entre autres, la baisse de la tension générée avec la vitesse). Grâce à cette simplification, l’histoire se réduit à « côté qui injecte » et « côté qui reçoit », et ce qui se passe sur le bus saute aux yeux.

L’ossature du circuit est celle de toute la série : à gauche de la frontière verticale, le côté récupération (l’origine de l’injection) ; à droite, le bus CC. Le bouton « Logique Y0 » du panneau active et coupe l’injection ── autrement dit, il joue le rôle de « la récupération est en train de revenir ». D’une figure à l’autre, une seule chose change : la façon dont le bus la reçoit.

V1 Vbus (tension du bus) ── regardez si elle monte ou si elle est contenue I1 Courant injecté ── circule tant que Logique Y0 est sur ON

Quelques règles de manipulation communes, avant de commencer. Chaque figure a en plus son propre mode d’emploi pas à pas, juste au-dessus.

• Les boutons deviennent actifs quand le panneau affiche « Connecté » (patientez tant qu’il indique « Chargement du simulateur… »).
• Les courbes défilent comme sur un oscilloscope et montrent les ~0,05 s les plus récentes. La valeur numérique s’affiche aussi dans le panneau : « Vbus = … V ».
• La simulation ne tourne que lorsque la figure est visible à l’écran. Si une courbe semble figée, faites défiler pour revenir à la figure.
• Dans ces figures, une tension de bus qui a grimpé peut rester haute même après avoir coupé le bouton : c’est le sujet même de l’article, pas un bug. Pour repartir de zéro, utilisez le bouton « Réinitialiser le circuit » en haut à droite du panneau.

2. Avec un récepteur idéal, il ne se passe rien (fig. 1)

La première figure recrée « le monde de la partie 2 ». Si le bus était une source idéale de 24 V ── un récepteur parfait qui avale n’importe quel courant ── le retour de récupération ne poserait strictement aucun problème. Toutes les autres figures de l’article se lisent par rapport à cette référence.

La source idéale absorbe tel quel le courant qui revient : la tension du bus ne bronche pas. Si, dans la fig. 4 de la partie 2, la 【V1】 se stabilisait près de la tension d’alimentation, c’était précisément parce que le récepteur était cette source idéale. ── Un monde enviable qui n’existe, à vrai dire, que dans le simulateur. Dans la figure suivante, on remplace ce récepteur par quelque chose de bien plus proche du matériel réel.

3. Un bus qui ne peut pas absorber ── la tension gonfle (fig. 2)

La plupart des alimentations continues réelles fabriquent leur courant continu en redressant l’alternatif avec des diodes ── et une diode est un sens unique : une telle alimentation peut pousser du courant vers l’extérieur, mais pas en accepter en retour. Cette figure ramène cette propriété à sa plus simple expression : source 24 V → diode → condensateur de bus (470 µF). La source peut maintenir le bus à 24 V à travers la diode, mais rien de ce qui se trouve sur le bus ne peut revenir vers elle.

Voilà pourquoi « on peut récupérer » ne veut pas dire « problème réglé ». L’énergie qui revient est refusée par l’alimentation ; il ne lui reste qu’à s’accumuler dans le condensateur de bus ── et un condensateur, plus il stocke, plus sa tension monte. Tant que l’injection dure, Vbus continue de gonfler.

	Fig. 1 (récepteur idéal)	Fig. 2 (bus réaliste)
【V1】 pendant l’injection	Reste vers 24 V	Monte petit à petit, sans s’arrêter
Du courant revient-il à la source ?	La source idéale l’absorbe	La diode le bloque
Destination de l’énergie	Récupérée par la source	Accumulée dans le condensateur de bus
À l’arrêt de l’injection	Rien ne change	La tension montée reste en place

4. Ajoutez la résistance de freinage et observez (fig. 3)

Si l’énergie ne peut que s’accumuler, donnons-lui un endroit où la jeter. Au bus de la fig. 2, on ajoute un interrupteur + résistance de 80 Ω entre le bus et le 0 V. C’est l’ossature de la pièce que les catalogues vendent sous le nom de résistance de freinage (de récupération) : l’énergie excédentaire est convertie en chaleur dans cette résistance et évacuée. Cette figure est le clou de l’article : même injection, et le destin de la tension du bus bascule d’un seul bouton.

	R de freinage du bus = non	R de freinage du bus = oui
【V1】 pendant l’injection	Monte petit à petit (comme fig. 2)	Contenue près de 24 V
Destination de l’énergie	S’accumule dans le condensateur	Surtout de la chaleur dans la résistance
Lecture pratique	Droit vers le défaut de surtension	La résistance évacue ; la machine continue

Une différence importante avec le matériel réel mérite d’être soulignée. Dans cette figure, c’est un humain qui a connecté la résistance avec un bouton ; sur les machines réelles, un circuit appelé hacheur de freinage surveille la tension du bus et connecte la résistance automatiquement dès qu’un seuil est franchi (sur un système 24 V, une valeur convenue autour de 30 V par exemple), puis la déconnecte quand la tension retombe. Autrement dit : ce que vous venez de faire au doigt ── « connecter quand ça monte, relâcher quand ça redescend » ── automatisé à grande vitesse, c’est le produit réel. L’ossature de ce qu’il fait, c’est exactement le bouton de cette figure.

5. La résistance de freinage de la partie 2 est-elle la même chose ? (fig. 4)

Dans la FAQ de la partie 2, à la question « résistance de freinage et résistance de récupération, est-ce pareil ? », la réponse était : « la pièce se ressemble, mais il y a deux endroits où la brancher ». Cette figure met les deux dans le même circuit pour les comparer directement. Il y a deux chemins avec résistance : la R aux bornes (150 Ω) est entre le nœud d’injection (le point qui tient lieu de bornes moteur) et le 0 V ── le même branchement que la « résistance de freinage » de la fig. 3 de la partie 2. La R du bus (80 Ω) est entre le bus et le 0 V ── le même branchement que la « résistance de récupération » de la fig. 3 de cet article.

	R aux bornes (frein de la partie 2)	R du bus (récupération, cet article)
Où on la branche	Entre les bornes du moteur (avant le bus)	Entre le bus CC et le 0 V
Son travail	Empêcher l’énergie d’atteindre le bus	Évacuer en chaleur ce qui a atteint le bus
Ce qu’on voit sur la courbe	Ça ne monte presque pas	Fait retomber la tension déjà montée
Nom au catalogue	Résistance de freinage (aux bornes)	Résistance de freinage / de récupération (bus)

La réponse complète à « est-ce la même chose ? » est donc celle-ci : en tant que pièces, ce sont toutes deux des résistances de puissance ; mais elles occupent des postes différents dans le circuit, et quand un catalogue dit « résistance de récupération », il parle généralement du côté bus. Ce que la partie 2 avait répondu avec des mots, cette figure vous le fait vérifier de vos propres yeux.

6. Ce que fait le matériel réel ── y compris sans brûler l’énergie

Les figures du jour sont des modèles pédagogiques réduits à « diode + condensateur + résistance », mais les parades réelles partagent la même ossature. Dans l’ordre où on les rencontre en atelier :

• Laisser les condensateurs encaisser ── pour des récupérations brèves et modestes, la capacité du bus suffit à elle seule. Si la fig. 2 « ne casse pas immédiatement », c’est grâce à ce matelas.
• Brûler dans une résistance + hacheur de freinage ── la version automatisée de la fig. 3, et la parade la plus courante. Quand le catalogue d’un servo ou d’un variateur liste une « résistance de freinage (option) », c’est de cela qu’il s’agit.
• Laisser un autre axe s’en servir ── plusieurs servoamplificateurs peuvent partager un même bus CC : l’énergie renvoyée par un axe qui freine alimente un axe qui accélère. Redistribuer plutôt que jeter.
• La renvoyer vraiment au réseau (récupération sur le réseau) ── un convertisseur régénératif réinjecte l’énergie du bus dans le réseau alternatif. On le choisit là où beaucoup d’énergie revient, souvent ── ascenseurs, ponts roulants ── ; c’est, en pratique, le « récepteur idéal » de la fig. 1 acheté à prix d’or.

Le choix dépend de la quantité d’énergie qui revient, de sa fréquence, et du budget de la machine. Mais quelle que soit l’option sur la table, la question de départ est celle que les quatre figures ont posée : « où va l’énergie qui revient ? »

En résumé ── concevoir la récupération, c’est concevoir le récepteur

• La récupération ne s’arrête pas à « renvoyer vers l’alimentation ». Si le récepteur ne peut pas accepter, l’énergie s’accumule dans les condensateurs du bus et la tension monte (§2, §3).
• Avec un récepteur idéal, la tension du bus ne bouge pas ; ce qui distingue la réalité, ce sont les diodes de redressement de l’alimentation qui ferment le chemin du retour (§2, §3).
• Livrée à elle-même, la montée se heurte aux tensions nominales des composants : d’où le défaut de surtension (§3).
• La résistance de freinage côté bus convertit l’excédent en chaleur et contient la tension ; sur la machine réelle, un hacheur de freinage automatise le connecter/déconnecter (§4).
• La résistance de freinage de la partie 2 (aux bornes) et celle de la récupération (sur le bus) se ressemblent mais occupent des postes différents : côté bornes, « empêcher de monter » ; côté bus, « faire retomber » (§5).
• Au-delà du brûlage : laisser les condensateurs encaisser, partager entre axes, ou renvoyer au réseau via un convertisseur régénératif (§6).

Dans cette série, la partie 1, « La force contre-électromotrice d’une bobine, expliquée avec des schémas de circuit interactifs ── le rôle de la diode de roue libre », traitait la surtension instantanée, et la partie 2, « Arrêter un moteur DC, expliqué avec des schémas de circuit interactifs ── roue libre, freinage et récupération », traitait la destination de l’énergie cinétique. Cet article reprend le fil exactement là où elles l’avaient laissé : comment on reçoit l’énergie qui revient.

FAQ

Q1. C’est quoi, exactement, le « bus CC » ?

R. L’artère de courant continu qui, à l’intérieur d’un variateur ou d’un servoamplificateur, distribue le continu redressé au reste des circuits. De gros condensateurs (les condensateurs de bus) y sont accrochés pour stabiliser la tension. C’est aussi le premier endroit où arrive l’énergie récupérée : la 【V1】 de ces figures mesure précisément cette tension de bus.

Q2. Pourquoi une alimentation continue ordinaire ne peut-elle pas accepter le courant récupéré ?

R. Parce que la plupart fabriquent leur continu en redressant l’alternatif avec des diodes, et qu’une diode est un sens unique. Le courant ne peut que sortir ; l’énergie poussée depuis le bus ne peut donc pas entrer dans l’alimentation. L’unique diode de la fig. 2, c’est cette propriété réduite au minimum.

Q3. Si la tension du bus continue de monter, que se passe-t-il sur la machine réelle ?

R. Elle s’approche d’abord des tensions nominales des condensateurs et des semi-conducteurs, avec risque de dégradation ou de panne. La machine réelle déclenche un défaut de surtension (arrêt sur alarme) avant d’en arriver là, grâce à sa surveillance du bus. Le symptôme classique ── raccourcir la rampe de décélération et voir pleuvoir les alarmes de surtension ── c’est exactement ce mécanisme. Les remèdes : décélérer plus doucement, ou offrir un exutoire comme une résistance de freinage.

Q4. Sur le matériel réel, qui connecte et déconnecte la résistance de freinage ?

R. Un circuit de commutation appelé hacheur de freinage. Il connecte la résistance quand la tension du bus franchit un seuil et la déconnecte quand elle retombe, à grande vitesse et en boucle : la version automatisée de ce que vous avez fait avec le bouton de la fig. 3.

Q5. Puis-je donc considérer « résistance de freinage » et « résistance de récupération » comme équivalentes ?

R. En tant que pièces, elles sont de la même famille (résistances de puissance), mais il y a deux branchements : entre les bornes du moteur (fig. 4 de la partie 2 ; la R aux bornes de cet article) et sur le bus CC (la fig. 3 et la R du bus de cet article). Quand un catalogue dit « résistance de récupération », il parle en général du bus. La fig. 4 permet de comparer les deux rôles directement.

Q6. Brûler l’énergie semble du gaspillage ── on ne peut pas la récupérer ?

R. Si. On peut partager un bus CC entre plusieurs axes, pour que l’énergie alimente un autre axe, ou pratiquer la « récupération sur le réseau », où un convertisseur régénératif la renvoie au réseau alternatif. Les deux renchérissent la machine ; on les pèse donc face à la quantité et à la fréquence de l’énergie qui revient. Pour de petites quantités, la brûler dans une résistance reste le plus économique et le plus fiable : c’est le consensus pratique du marché.

Q7. En quoi ces figures diffèrent-elles du matériel réel ?

R. La récupération est remplacée par une injection « 48 V + 100 Ω » : l’inertie réelle du moteur et la baisse de sa tension générée ne sont pas reproduites, et les valeurs des composants sont pédagogiques, choisies pour que le mouvement se voie. Le hacheur réel, en outre, commute seul et très vite ; les figures utilisent un bouton manuel pour en exposer l’ossature. Servez-vous des figures pour le principe ; pour les chiffres de conception réels, voyez les documentations des équipements.

Q8. Logique Y0 est sur OFF mais la tension du bus ne redescend pas ── c’est un bug ?

R. Non : c’est le cœur de la fig. 2. La charge accumulée n’a nulle part où aller, donc la tension persiste après l’arrêt de l’injection. (Les condensateurs de bus réels font pareil : une tension élevée subsiste après la mise hors tension, et c’est pourquoi les manuels imposent un temps d’attente de décharge.) Pour repartir de zéro, appuyez sur « Réinitialiser le circuit ».